“晶”益求精

天科合达公司生产的碳化硅晶片产品(资料图）

陈小龙

“炉火照天地，红星乱紫烟。”在唐代诗人李白的眼中，刀剑历经高温烈焰的洗礼，在炉膛内完成涅槃。

如今，在晶体炉内，2300℃的高温下，碳化硅粉末升腾成气。大约7天后，一块可用于制造高性能芯片的“法宝”——碳化硅晶锭出炉，再经过切削、打磨和抛光，变成厚度不到0.5毫米的碳化硅衬底。这些薄如蝉翼的碳化硅晶片，正是新能源汽车、光伏、5G通信、轨道交通、智能电网和大数据中心等领域急需的战略性半导体材料。

20多年来，中国科学院物理研究所研究员陈小龙带领团队，不畏困难，不怕失败，不惧高温，从实验室到生产线，一次又一次突破碳化硅晶片制备难题，带动我国第三代半导体产业杀出重围。

从零开始铸熔炉

1997年初，陈小龙结束了在国外的博士后研究工作，回到中国科学院物理研究所。像所有青年学者一样，他要确定研究方向，是追当时的热点，还是直面国家急需，选择相对冷门的课题？

彼时，以硅、锗为代表的第一代半导体材料是电子产品的主流，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料也广泛应用于卫星通信、移动通信、GPS导航等领域。性能更加优异的碳化硅、氮化镓等第三代半导体崭露头角，在半导体照明、新能源、航空航天等新产业有潜在应用，前景广阔但难度极大。

在中国科学院院士王恩哥的办公室里，陈小龙第一次见到了碳化硅晶体的真容。一片仅5毫米见方的透明晶片，重量不足1克，他拿在手中却觉得重似千斤。

“晶片虽小，但咱们真造不出来啊。”陈小龙意识到自己的责任，决定担任晶体生长组的组长，开启了晶体生长的研究之路。

随着芯片制造技术的发展，各类芯片的体积越来越小。常见的功率芯片尺寸通常仅有10平方毫米，厚度不足1毫米。拆解芯片的结构，还能将其分为几百微米厚的衬底层和10微米左右厚度的外延层，这两层材料决定着芯片“内耗”能量的大小。

碳化硅制备技术的出现，意义如同铁器代替石器——与常见的硅基器件相比，碳化硅的重量更轻、体积更小、转化效率更高，因此更节能。以新能源汽车行业为例，与传统硅基器件相比，碳化硅芯片可将整车驱动能耗减少6%到8%，这就意味着一辆续航里程在六七百公里的电动汽车仅通过芯片材料的迭代升级，就可以提升30至50公里的续航能力。

行业内对碳化硅的优异性能早有认识，不过要实现它的生长制备并非易事。20余年前，陈小龙带领团队从零开始，根据基本物理原理一点点摸索基础实验规律，成为碳化硅晶体制备方法的“探路者”。

俗话说，种瓜得瓜，种豆得豆，种子的重要性不言而喻。晶体的生长也需要一颗“种子”，也就是籽晶。在高达2300℃的环境下，碳化硅粉升华为气体，从下向上输运，在此过程中，温度逐渐降低。遇到碳化硅籽晶时，在温差及浓度差的作用下，它们便从气相转化为固相，与籽晶“抱团”沉积，晶锭逐渐长大。

然而，碳化硅晶体的生长过程充满了复杂性和不确定性，仿佛拥有“七十二变”的能力。它的晶体结构种类繁多，科学家目前已发现的结构就有260余种。如果对生长过程不加干预，哪怕只是温度、压力、原料比例等因素的微小变化，都很容易导致晶体结构发生变化，甚至出现缺陷。∶

“虽然在碳化硅晶体中，碳元素和硅元素的比例都是1∶1，但原子之间的‘牵手’方式很多。”陈小龙以最常用的4H碳化硅晶型为例，硅原子和碳原子形成一个双原子层，这些双原子层以不同的方式堆叠起来，形成完整的晶体结构，4H晶型是4层双原子层错位堆叠成一个晶胞，然后再以这种晶胞周期扩展形成晶体。它的“兄弟”6H晶型则是由6层碳硅双原子层构成一个晶胞，再周期扩展形成的。

碳化硅具有耐高电压、热导率高和机械强度高等优点，在高温等环境下表现出色。4H晶型与6H相比，制备的器件性能更好，应用更加广泛。如果生长条件不稳定，4H晶型中掺杂了6H或其他晶型，或是微管等微观缺陷过多，最终的产品只能被判定为不合格。

要让晶体生长乖乖听话，需要性能优异的生长炉。

研发初期，我国没有碳化硅晶体生长的专业设备，陈小龙团队只能依靠一台勉强达到高温要求的晶体退火炉，对其改造后，尝试进行碳化硅晶体制备。原本这台设备是石墨加热炉，它的温度能基本满足晶体生长的需求。“当时所里的几位老先生也都帮我们出主意，在原有的设备基础上改进。”陈小龙保存着当年的设计图纸，他们反复与仪器厂沟通打磨，并通过大量实验，终于掌握了原料升华、输运、生长的热力学和动力学基本过程，制作出国内首台线圈内置式感应生长炉。

当然，这台设备还很粗糙，缺点十分明显。它的温场无法调控，且不能动态控压，因此只能生长出黄豆大小的碳化硅晶体。

但这已足够令团队振奋。

验证了设计思路的正确性，接下来就是一步步实现、优化设备所需的各种功能。“现在我们的生长炉已经迭代到第五代，晶体生长的质量越来越好，生产成本也不断降低。”陈小龙说，基础研究和设备研发“两条腿走路”，让团队走出了一条全自主的设备制造和晶体生长完整技术路线。

真晶火炼。陈小龙带领团队实现了从无到有的巨大突破。

让晶体破茧成蝶

历经7年探索，2005年，陈小龙终于迎来了令他满意的“汗水结晶”。经过100多个小时的生长，第一炉直径达到2英寸的无缺陷碳化硅晶体被缓缓推出炉膛。

“到了这一步，我们终于敢说，产品有了一定的工业应用价值。”陈小龙踌躇满志，准备在实验室里向更大尺寸的碳化硅晶体制备技术进军。这时，一个声音传来：“既然产品这么好，要把它用起来，不能总是留在研究所里。”

陈小龙深以为然，决定做“第一个吃螃蟹的人”。2006年，我国第一家碳化硅晶体产业化企业——北京天科合达半导体股份有限公司成立，研发中心设在中国科学院物理研究所的实验楼内，并在外省设立了生产基地，贯通了产学研链条。“实验室的基础研究取得进展后，就能立刻应用到中试生产线上。生产中遇到的问题，又能立刻反馈给实验室，产业化进程明显加快。”

在推动产业化的同时，陈小龙团队继续攻克晶圆尺寸的扩展难题。芯片的外延层是在衬底的基础上生长加工而来的，衬底的尺寸越大，单次外延层的生长成本就越低。一片4英寸的碳化硅衬底能支撑1500枚芯片的生产需求，直径更大的衬底，则能对应更高的芯片产量。衬底直径从4英寸增长到6英寸，单枚芯片成本可以降低30%至40%，如果再扩展到8英寸，成本可降至一半。

但这个过程十分艰难。

由于晶体生长温度较高，生长炉内有多层保温毡包裹，晶体生长过程并非透明可视，操作人员无法直接观察到内部的生长过程。只能在降温取出晶体后，通过一些间接测量数据来推测生长过程中的变化。“每次开炉时都像是‘开盲盒’。我们能做的就是依靠间接手段，监测炉内的各项参数，尽可能控制炉内的环境稳定。”陈小龙说。

从2英寸到4英寸，晶锭“长身体”的过程比较顺利，但当陈小龙团队向着6英寸晶锭进军时，生长难度呈现几何级增长。在实验室制备中，一块6英寸晶锭经过一周的生长终于出炉了，从外观看，晶锭生长状况良好，但晶锭突然“啪”的一声裂开了。看着碎裂的晶锭，陈小龙和团队成员的心也碎了。

陈小龙很清楚，问题一定出在晶体生长时的内部应力上，但该如何解决，大家都没有头绪。那段时间，每次开炉时，他们都战战兢兢。“晶体裂开的次数多了，最后甚至没有人敢去开炉。”

为了找到症结所在，团队成员、中国科学院物理研究所主任工程师王文军花了近1年时间，前前后后“烧坏”了几百块晶锭，试图定位应力缺陷的原因。但问题仿佛在与他捉迷藏，同样的生长条件，却孕育出个性十足的晶锭，有些会当场碎裂，有些则等到加工环节才突然裂开，还有少部分晶锭能保持完好。

按照常规思路，让晶体生长的温场变得更均匀，能够有效消除应力缺陷，但王文军反复尝试多次，还是无法解决问题。“能不能试试反直觉的思路？”他采用逆向思维，重新设计调整了炉内的温场，问题竟迎刃而解。最终，6英寸晶锭的制备方法顺利完成前期验证，推广到生产线上。

从实验室到生产线，这样的故事经常发生。

“工业生产和实验室研究的区别非常大。实验室研究成功一次，就能发表论文。但真实生产中，必须确保技术的可重复性、可靠性、稳定性。”

碳化硅晶体国产化之路荆棘载途。陈小龙说，除了向前，别无选择。

从“气相”到“液相”

随着产量的提升，陈小龙团队又遇到了新问题：生长炉的保温性能无法保持稳定。

经过反复排查，技术团队发现，每一次晶体生长过程中，都会有少量的硅蒸汽逃逸到周围的保温毡里发生反应，导致保温毡保温性能变化。这个问题在客观上无法避免，生产线必须配备经验丰富的技术团队，在每一炉晶体生长前调整合适的参数。

“我们经过反复研究，确认这是气相法生产碳化硅晶体的固有缺陷，要克服它，就必须进行‘自我革命’。”

当时，天科合达已经发展成为国内生产规模最大的碳化硅衬底供应商，但陈小龙丝毫没有懈怠，决定攻克难度更大的液相法生长技术。

如果说气相法是“以气塑形”，液相法则是“熔岩炼晶”。液相方法可以生长p型4H碳化硅和立方相碳化硅，用以制备性能更加优异的碳化硅器件。

在1800℃的高温下，硅与助熔金属熔为液态，经过精密控温与结晶引导，最终“涅槃”为结构完美的立方碳化硅晶体。利用这项技术，陈小龙团队生长出了直径2英寸至6英寸、厚度超过10毫米、单一晶型的立方碳化硅单晶，这是国际上首次制备出晶圆级、高质量的大块立方碳化硅晶体。他们还成功生长出8英寸p型4H碳化硅晶体，结束了没有p型导电碳化硅衬底的历史，为未来制备高压功率器件奠定了基础。

液相法制备碳化硅晶体的生长速度与气相法相当，且不会出现微管缺陷，产品的良率可提升30%甚至更高。在攻读博士学位期间，张泽盛就跟随导师陈小龙参与技术研发。2020年，国内首个以液相法生产碳化硅晶体的企业——北京晶格领域半导体有限公司成立，张泽盛担任公司总经理。目前，液相法制备6英寸晶体已在该公司实现小批量生产，陈小龙团队再次创下“第一”。

切割设备内，一根根直径仅有0.1毫米的钢线排成锋利的“刀”，将几十厘米长的数个晶锭精确切分为若干片厚度仅0.5毫米的晶片。再经过细细打磨，晶片表面的平整度达到原子级——起伏不到0.2纳米，这相当于在北京市东西跨度160公里的尺度下，地面高低起伏不超过0.2毫米。

一片完美的晶片，背后是陈小龙团队贯穿碳化硅晶体生产制造全链条的研发积淀。从自主研发晶体生长炉、合成高纯度碳化硅粉料，到优化晶体生长工艺；从研制世界首台可在2000℃环境下工作的液相表面张力检测设备，到突破等面积多线切割技术、新型研磨液和抛光液等加工成型技术，他们的探索仍在继续。

北京在教育科技人才领域的优势力量，也为碳化硅材料的“生长”提供了广阔沃土。作为科学家创业者，陈小龙亲历了20多年来科技成果转化环境的变化，“现在政策的支持力度越来越大，能够为成果转化提供支持的投资机构也越来越多，企业的发展离不开这些力量的支撑。”

不久前，天科合达第三代半导体碳化硅衬底产业化基地建设二期项目在大兴区开工，向8英寸碳化硅衬底的量产目标再迈进一步。投产后，年产导电型碳化硅衬底可达37.1万片，其中6英寸导电型碳化硅衬底23.6万片，8英寸导电型碳化硅衬底13.5万片。

来自政府产业投资基金的“耐心资本”，也推动科技成果转化的“金种子”加速落地。去年5月成立的北京市新材料产业投资基金，第一个出手的项目就是支持晶格领域建设最新的生产线。如今，这条由40余台设备组成的生产线24小时不停歇，“我们去年才真正开始销售产品，不到1年，已签下相当可观的订单。”张泽盛说，公司还将建设更大规模的生产线。

瞄准进一步提升碳化硅晶体的良率与质量，陈小龙团队仍在努力，希望让新材料的研发成果惠及更多消费者。“评价一个科研成果的价值，我认为就是两个标准：要么顶天，在基础研究前沿产出最顶尖的成果；要么立地，切实解决国家重大需求，改善人们的生活品质。决不能不上不下。”

陈小龙觉得自己是幸运的，他找到了顶天立地的科研方向。

干顶天立地事，做顶天立地人。